声表面波气体传感器阵列模式识别技术的研究

论文摘要

自20世纪以来,化学恐怖主义时有发生,已引起国际各个国家的广泛关注因此,研制能够快速检测化学战剂的气体传感器,已成为当务之急,本课题就是在这样的背景下产生。本课题主要研究以不同敏感材料作为敏感薄膜的声表面波气体传感器阵列的气敏特性,然后通过使用模式识别技术,从中选出最优化的传感器阵列,减少多传感器阵列的输出数据,改善单一传感器单一性和重复性差的问题。本文的主要内容包括：（1）改进了声表面波气体传感器阵列的测试系统。本课题使用声表面波（surface acoustic wave, SAW）器件制备气体传感器,测试系统由传感器阵列气室、动态配气装置、频率计数器、射频开关和计算机等设备组成。实验表明,在气敏特性测试时,可以通过改进传感器阵列气室,同时将参考器件的开盖,使传感器的频率响应数据更加准确。以DKAP-SAW气体传感器为例（DKAP是聚甲基-{3-[2-羟基-4,6-二（三氟甲基）]苯基}-丙基硅氧烷的缩写）,对不同浓度的神经性毒剂的模拟剂甲基磷酸二甲酯（DMMP）进行气敏测试,通过测试发现其在低浓度下具有良好的响应,并具有良好的线性关系。（2）选择了10种不同聚合物材料作为SAW气体传感器的敏感薄膜,这10种不同的气体传感器分别对对DMMP和其他11种气体进行了气敏测试,得到响应数据,获得了一个含有12×10矩阵的信息,通过主成分分析法和聚类分析法对这个矩阵进行分析,以聚甲基[3-（2-羟基-5-六氟异丙醇基）苯基]丙基硅氧烷（PTFA）、聚环氧氯丙烷（PECH）和聚醚酰亚胺（PEI）三种聚合物材料为传感器敏感薄膜构成的传感器阵列能够最大程度地保留原先的信息。我们还研究了在实际应用中,当传感器敏感度降低,需更换传感器的情况下的情况,研究表明,当更换的传感器的膜厚与原传感器的膜厚相差不是很大的情况下,不会影响传感器阵列的选择以及对有毒气体的检测。最后,我们研究了当改变所测气体DMMP的浓度的情况下,传感器阵列的选择将受到影响,最后选择PHFA-SAW, PECH-SAW, PVP-SAW三种传感器作为最优化的传感器阵列。为了验证所获得的传感器阵列,选用了神经性毒剂的模拟剂DMMP,芥子气的模拟剂1,5-二氯戊烷（DCP）,以及常见的乙醇蒸汽作为待测材料。经过主成分方法分析结果,可以清晰地发现,三种气体出现在主成分图上的不同位置,因此,这三种气敏传感器组成的传感器阵列完全可以检测上述3种气体。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体传感器的发展概述
• 1.2.1 气体传感器的分类
• 1.2.2 气体传感器性能参数
• 1.3 化学战剂和有毒有害气体的介绍
• 1.4 模式识别技术的意义
• 1.5 本文的主要研究内容、目的和意义
• 1.5.1 本文的研究内容
• 1.5.2 本文的研究目的和意义
• 第二章 声表面波传感器的工作原理和模式识别技术的介绍
• 2.1 声表面波传感器的工作原理
• 2.1.1 声表面波传感器的简介
• 2.1.2 表面波传感器的工作原理
• 2.2 模式识别技术的应用
• 2.3 模式识别技术的介绍
• 2.3.1 基于统计理论的模式识别算法
• 2.3.1.1 K-L
• 2.3.1.2 PCA
• 2.3.1.3 CA
• 2.3.2 基于人工神经网络的模式识别算法
• 2.3.2.1 BP
• 2.3.2.2 RBF
• 2.3.2.3 SA
• 2.4 本章小结
• 第三章 传感器阵列测试体系的建立及气敏特性测试
• 3.1 引言
• 3.2 传感器阵列实验测试体系的建立
• 3.2.1 传感器测试体系的搭建
• 3.2.2 特性参数
• 3.3 DKAP-SAW传感器的气敏性能测试
• 3.3.1 实验试剂和仪器
• 3.3.2 流量及开盖对气敏性的影响
• 3.3.3 DKAP-SAW传感器的气敏测试
• 3.3.4 DKAP-SAW传感器对其他气体的气敏测试
• 3.4 小结
• 第四章 有毒气体传感器阵列初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验所用模式识别方法的介绍
• 4.2.1 主成分分析法
• 4.2.2 系统聚类分析法
• 4.3 声表面波传感器阵列的组成及特性研究
• 4.3.1 化学试剂及实验仪器
• 4.3.2 特征提取
• 4.3.3 传感器阵列响应特性研究
• 4.4 传感器阵列的优化
• 4.4.1 主成分分析结果
• 4.4.2 聚类分析结果
• 4.4.3 改变敏感薄膜厚度对阵列优化的影响
• 4.4.4 改变气体浓度对阵列的影响
• 4.5 传感器阵列用于生化战剂模拟剂的检测
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 课题的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果